随着热喷涂行业对涂层质量和性能要求的不断提升，现有的层间冷却工艺越来越难以满足工艺需求。空气产品公司金属处理应用技术研发中心提出并开发了一套使用低温氮气作为冷却介质的新型层间连续冷却系统。该技术曾获得美国《工业加热》杂志评选的年度十大创新技术，本文将对这一技术进行介绍。
现有工艺
高速火焰喷涂（HVOF）在飞机起落架、轴承圈座、阀门及涡轮零部件等工件的耐磨涂层加工过程中被广泛使用。在这类产品常见的加工过程中，使用喷枪将完全或部分熔化的金属、复合材料或者陶瓷液滴直接喷射到待加工表面。对于此类耐磨层的加工，必须要进行多层热喷涂，因为每层涂层的厚度仅有 0.0002～0.0005 英寸（5.08～12.7 微米）。
为了得到致密的涂层，在喷涂过程中需要足够的温度（热能）和很高的速度（动能），这也就意味着会有很多的能量作用于液滴及工件。同时这些能量里的很大一部分会变成热量被工件吸收，从而造成工件温度的升高。在热喷涂过程中，不恰当的温度控制将会导致一系列不好结果的出现，包括：工件和涂层过热、热变形、基体材料变性以及由层间温差过大带来的有害应力累积。这些问题的存在最终都可能会导致涂层在服役期的异常失效。
所以，在热喷涂工艺中，对温度的控制是需要重点考虑的工艺因素之一。对于大多数热喷涂工艺，压缩空气是最常见的冷却介质，并被广泛使用。但是，使用压缩空气作为冷却介质常常很难达到最佳的冷却效果，而且压缩空气中的氧气、水分以及碳氢化合物等成分还会对涂层带来负面影响，进而影响到涂层质量。在对温度控制要求较高的热喷涂工艺过程中，除了采用压缩空气外，还不得不进行必要的层间停歇，从而保证工件和涂层的温度下降到合理的范围，确保下一道次的喷涂效果，这就带来了工作时间上的浪费。另外，为了保证工艺的稳定性，在这种层间停歇的过程中，喷枪仍在继续燃烧，也会造成燃料和涂层粉末的浪费。
另外一个影响到热喷涂工艺生产效率的因素就是：遮蔽保护装置的安装和拆卸时间过长。在热喷涂过程中，对于不需要进行热喷涂或者不能进行热喷涂的区域进行遮蔽是必需的操作，常用的方法是在必要的位置安装金属挡板。
目前，热喷涂遮蔽胶带使用广泛。现在市面上有不同材料制成的遮蔽胶带，包括玻璃纤维、金属、聚合物和硅橡胶等。金属胶带比较难制备和安装；而非金属材料制成的遮蔽胶带安装过程比较容易，但是比较难去除，有时还需要额外的工序才能去除干净。热喷涂工艺过程中不恰当的温度控制恰恰会引起不必要的胶带变性，比如热分解、硬化或者脆化。
新型热喷涂层间连续冷却工艺
使用低温冷却，可以帮助在热喷涂工艺过程中得到更加有效的冷却效果。但是，因为这种冷却方式很难实现工件的均匀冷却，因此会产生残余应力，并可能引起涂层性能的下降，甚至造成涂层脱落。目前在工业界，二氧化碳（CO2）冷却方法已被有效应用。二氧化碳与氮气相比具有较高的热容量，它的冷却效率受较小的温度限制（CO2的沸点为-78.5°C，而低温氮气的沸点为-196°C）。当要求较高的冷却速率及相应的高气体流率时，二氧化碳也会在基体表面形成多余的固态沉淀。将低温氮气冷却方法与传统空气冷却工艺相比，喷涂效率明显提高。图 1 显示在为飞机起落架喷涂 WC-Co-Cr 涂层过程中两种冷却工艺的实际工艺参数比较。
通过消除冷却停顿时间，低温氮气冷却系统缩短了 50%的工艺时间，并减少了粉末及工艺气体的消耗。低温氮气冷却系统还能够实现更为严格的温度控制（±20°C），而且在热喷涂过程中工件的温度波动范围很小。空气冷却及氮气冷却试样的特点表明，喷涂态涂层的结合强度、硬度及表面粗糙度基本没有变化，同时气孔率从 0.2%降低到 0.05%。氮气冷却试样仍保留基体硬度（4340 钢，热处理后硬度达到 420 HV），比压缩空气冷却（395 HV）及非冷却试样（390 HV）高。另外，低温氮气冷却涂层中的氧含量更低，同时碳的流失量也最低。在使用低温氮气冷却系统时，WC-Co-Cr 粉末的沉积效率比采用压缩空气冷却平均增加 10%－15%，相对不进行冷却的热喷涂工艺过程则能提高 30%以上。
采用低温氮气冷却系统带来的另一优点则是可以帮助热喷涂客户节省热喷涂准备过程中遮蔽操作的成本和时间。低温氮气对顶层涂层的迅速冷却，避免了热量的聚集，从而有效地防止热量到达遮蔽带底部。这样，遮蔽带在整个工艺过程中可以一直保持柔韧度，在喷涂过程结束后使用油灰刀即可对其进行清除，且表面不易留下任何残留物。遮蔽带甚至还可以被多次重复使用。图 2 为硅基遮蔽带在热喷涂过程中的温度变化示意图。
低温氮气冷却系统通过实时监测涂层温度分布来改变冷却介质流量，从而获得有效冷却且均匀的涂层。温度监控反馈系统可采用多种测温方法，包括单点红外传感器，二维红外热映像仪及接触式热电偶。PLC 控制冷却系统可根据具体冷却要求自动切换多种冷却介质，包括室温、氮气、液氮/氮气混流以及全液氮等冷却介质。从单个喷嘴或多路喷嘴中被释放后，液氮被雾化并迅速形成微液滴，在离开喷嘴很短的距离内转化为低温氮气，这样可防止在被加工表面残留有液氮。另外，多区域冷却控制算法的应用使每个冷却喷嘴都可独立在冷却模式（以瞬时平均值为基础）及平均时间温度反馈间转换。图 3 为涂层喷涂过程中不同阶段的温度场。该低温氮气冷却系统还可记录温度历史并存档，以便日后审核。
空气产品公司的热喷涂冷却技术（图 4）是工业领域中仅有的低温氮气冷却工艺，而且我们已经在多个国家申请了专利。这一技术有效地提升了航空部件、建筑设备以及轧辊等大型设备进行高速火焰热喷涂加工时的生产效率。氮气冷却技术的采用，对于需要较多热量的热喷涂工艺（高压液体燃料火焰喷涂设备和高速火焰喷涂）来说，是一种效率较高且极为经济的冷却方法。
低温气体冷却工艺是对工业界现有压缩空气冷却方法的补充，而且该工艺还可针对不同工艺热输入值对冷却介质的使用量进行自动调节，从而实现工艺过程的经济性。低温气体冷却还可有助于保证甚至提高产品质量，比如更好地维持基体性能、减少涂层氧化及降低涂层与基体间的残余应力等。
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